《光的江湖》小浪淘花

33、第三三章 伽利略测光

　　劳瑞恩是水利工程师，对各地的水利事务十分关注。在阅览了雨花石带来的那本有关中国山水著作后大感兴趣，十分向往实地考察，于是总是抓住雨花石详细询问各处的实际情形。雨花石多年来萍踪浪迹，也游逛了不少名山大川，对于劳瑞恩不清楚的细节部分进行补充说明。另一方面，在这些年的学习中，雨花石心中也有无数疑问等待解答，如今遇到的劳瑞恩师从伽利略学生的维维安尼教授，博学而平实，正是雨花石传道受业解惑的不二人选。所以，两人互有所需，相谈甚欢。

　　这一天，雨花石想起法鲁格教授当日说起，天下速度之最乃是最普通的“光”，早年间又听奥林纳兹曾经说过，西方科学门派又分为“光波宗”和“光粒宗”两派，究竟是怎样的情形，并不十分了解。

　　今日，雨花石把这个江湖问题向劳瑞恩提起。

　　“果真是江湖传言，不足为信。”劳瑞恩听了他的疑惑忍不住笑了起来，“光究竟有多快，亚里士多德认为光速是无限的，无论多远的距离，光都是瞬时可达。可是伽利略院士对这个说法存疑，早年间他曾经和助手亲自做实验测量过光速。”

　　“是怎么做实验的呢？”

　　“是这样的，伽利略和他的助手共是四人，把他们分为两组，每组两个人，一人负责管灯，一人负责计时。灯是带有遮罩的煤油灯，计时工具是伽利略制作的摆钟。伽利略和他们约定好，两组人分别前往相距1公里的两座山上，第一组的人打开遮罩，第二组的人看到灯后也马上打开自己的灯，第一组的人看到第二组的灯后马上遮住自己的灯，第二组的人发现第一组灯灭后也马上遮住自己的灯。就这样重复操作几次，消除误差。在这个过程中，每组负责计时的人记录下本组掌灯人的动作发出后到对方组的掌灯人做出对应动作时的时间间隔，这个时间间隔里光在两组间传递了一个来回，这样用两山间距除以对应的时间就是光的速度。”

　　“这样能测准吗？光速要是比人的动作快很多怎么办？”

　　“事实正是这样，光速太快，远远超出摆钟的精确度。伽利略也说过‘即使没有测出光速的准确值，但它一定是有限的，而且非常大’，事实证明，伽利略是对的。”

　　“你怎么知道这是对的？”
　　“是这样的，十几年前，又有一个人测量了光速，这次，他确实做到了。”
　　“真的吗？”雨花石惊奇道，“这人是谁啊？他是怎么做到的？”

　　“这要说一个丹麦人在巴黎的故事了。自从伽利略院士发现木星的四颗卫星以来，人们就对它们进行了详细观测。就像月亮进入地球背面形成月食一样，木卫一进入木星背面也会形成木卫一食，这时从地球上就观察不到了。当它从背面绕出时就会重新被观测到，这样，木卫一每公转一次就会发生一次卫食现象，现在你想想，每两次木卫一食发生的时间间隔是一样的吗？”

　　“这应该和木卫一的公转周期一样，每公转一次发生一次，所以间隔是相同的。”雨花石想了想说。

　　“如果地球是不动的，在地球上观测到的时间间隔当然是相同的。你看门前这条路，如果你从这里出发一直向萨拉图瓦走去，现在我每过一分钟就派一个人骑马向你报告一次股市行情，假定每匹马的速度都是一样的，对于你来说，你收到消息的时间间隔是一样的吗？”

　　“我明白了，因为我一直向前走，离这里越来越远，所以送信的人要追上我需要的时间就越来越长，所以每两次收到消息的时间间隔是不同的，而且是越来越大。”

　　“那么，当你从萨拉图瓦向回走时的情形又是如何，你能说一下吗？”

　　“那就和我远去时是相反的，我收到消息的时间间隔越来越小。”

　　“这正是丹麦人奥勒·罗默发现的事实。在巴黎天文台工作的天文学家奥勒·罗默从木星卫星一的观测数据中发现，木卫一绕木星公转时，发生卫食的时间间隔之和在地球从冲日点向合日点运行期比从合日点向冲日点运行期多44分钟。我要向你解释一下冲日点和合日点，在地球和地外行星的绕日公转中有两个特殊点，在这两个点，地外行星、地球和太阳成一条直线。当地外行星和地球在太阳同侧时，这个位置就是冲日点，这是一年中地球距离地外行星最近的时候。当地外行星和地球在太阳的两侧时，这个位置就是合日点，这是一年中地球距离地外行星最远的时候。地球从冲日点向合日点运行的过程正是地球远离木星的过程，相反从合日点向冲日点运行的过程是地球趋近木星的过程。现在你明白在这两个过程中木卫一食的时间间隔之和不同的原因了吧？”

　　“这个时间差就是光线从冲日点到合日点用时的2倍。那么，只要知道冲日点和合日点之间的距离……啊？”

　　“的确如此，这个距离就是地球公转轨道直径，根据目前掌握的数据，奥勒·罗默计算出光速的确是有限的，大约是每秒220,000公里。”

　　雨花石惊讶地张大了嘴巴：“我的老天，真是不可思议。”他的心中流过了无数的叹息：“天下武功唯快不破，天下速度唯光不破。实际的招式突破不了速度上限，原来是这样……”

　　劳瑞恩看雨花石半天无语，问道：“你还好吗？”

　　“我知道了。我现在有点好奇，伽利略院士究竟怎样观察太空？他的望远镜好神奇。”
　　“跟我来。”劳瑞恩说罢走了出去。

　　雨花石连忙跟上他，二人上了二楼露台，劳瑞恩指了指露台中央的器具，雨花石上前细看。

　　“这就是伽利略院士发明的天文望远镜。”

　　雨花石怀着崇敬地感情地注视着它，好像在看着一个神迹。眼前似乎有一位大师对着满天星斗聚精会神地观察、记录，有时用笔描绘出旷古第一人的眼前之景，那是何等地激动人心、又是何等令人难忘，而他，又何等地从容和镇静。

　　雨花石拿出酒来递给劳瑞恩，劳瑞恩愣了一下，接了过去，尝了一口就忍不住咳了起来。雨花石接过来灌了一口，念道：“前不见古人，后不见来者，念天地之悠悠，独怆然而涕下……”

　　劳瑞恩听见后说：“你这说的什么玩意儿？怪好听的。”

　　雨花石无语地靠在栏杆上，看着天边的云彩渐渐染了色，太阳落山，夜幕降临，浅墨的夜空中有点点星光在闪耀。雨花石不由得想起来在草原上的日子里，也是这样的星空，却是不同的人。同样的世界隐藏着同样的秘密，不同的人群有着不同的思虑，平凡的世界里多样的人生！

　　劳瑞恩看了一会星空，平静地说：“对于‘光’，不仅是速度令人惊叹，还有一样，也要让你大吃一惊。”

　　雨花石闻言一震，思绪回到现实，忙问道：“还有什么，快告诉我！”

　　“‘光’是生活中最常见的现象，对，就是‘看’到的现象，凡是有正常视力的人都会看，而那些有视力缺陷的人恰恰是对光的感应出了问题。这样平常现象使得几乎没有人去想它究竟是什么，直到一个荷兰物理学家斯涅尔通过实验，发现了一个定律。”

　　“什么定律？”

　　“回忆一下，你在看一个水池的底部时有什么感觉？”

　　雨花石想了想说：“感觉水底似乎升高了，水深比真实的感觉浅些。”

　　“这就是光的折射现象。光在同一个均匀介质中沿直线前进，在不同介质中遇到界面时就会发生折射——方向会偏转一定角度。通常把垂直于界面的线称为法线，入射光线和法线之间的夹角叫入射角，折射光线和法线之间的夹角叫折射角。斯涅尔发现对一定的介质，入射角的正弦值和折射角的正弦值的比值是一个固定值，这个比值和折射率有关。这就是光的折射定律。”

　　“这是真的吗？”
　　“你可以做实验看看。”
　　“嗯，这个发现确实神奇。”

　　“你看起来一点也不惊讶，这倒令我感到有些惊讶。好吧，再想象一下，如果你能看到非常非常细微的东西，那么你去看‘光’的话，你觉得‘光’会是什么样子？”

　　雨花石感到十分茫然，想了一会儿又摇了摇头：“我想不出来，‘光’能从一个地方跑到另一个地方，就像一个小东西从一处跑到另一处一样，会不会是十分小的‘小石头渣渣’或别的什么微小事物？可是——它又怎么能跑那么快呢？”

　　“你能说出‘小渣渣’，已经很接近当代的科学前沿了。1637年，法国的笛卡尔对光做了研究——你学过解析几何吗？对，就是发明直角坐标系和解析几何的那个数学家、物理学家和哲学家的家伙——提出了两点假说：一种假说认为光是类似于微粒的一种物质；另一种假说认为光是一种在以太中传递的压力。”

　　“什么是‘以太’？”
　　“以太是充满宇宙空间的一种物质，光就是依靠以太传播的，就像声音要靠空气传播一样。”

　　“笛卡尔提出的这两点假设后来怎么样了，有没有被证实？”

　　“1655年，意大利有一位叫格里马第的物理学家发现了光的衍射现象，他推想光可能是类似于水波的一种流体。1663年，英国的科学家波义耳对物体的颜色研究后提出，物体的颜色是光照射在物体上产生的效果。1665年，英国物理学家胡克重复了格里马第的实验，他提出‘光是以太的一种纵向波’的假说，第一次提出光是波。胡克也认为光的颜色是由其频率决定的。1672年，英国另一位物理学家牛顿对太阳光做了详细研究，发现光的色散现象，认为白光不是单一颜色的光，而是由各种不同颜色的光组成的。光的复合和分解就像不同颜色的微粒混合在一起又被分开一样，他认为光是一种微粒。同时期另一位物理学家荷兰的惠更斯当时在法国科学院工作，他继承完善了胡克的观点。1690年，惠更斯发表了光学论文《光论》，系统阐述了光的波动理论。这样，人们发现不同的现象分别能支持笛卡尔的两种假说。于是，科学的阵营就分为了两派，一派认为光是一种粒子，一派认为光是一种波。直到今天，两派的争论还在继续上演着。”

　　“原来是这样！”雨花石点头叹道，“江湖传言西方科学分为‘光波宗’和‘光粒宗’，原来是对‘光’的解释的两种理论。不过，这真是让人惊讶。”

　　“现在你明白这是怎么回事了。”
　　“事实上相反，我更不能理解了。你刚说的斯涅尔先生是在哪个国家？”
　　“荷兰。”
　　“我要去荷兰！”雨花石叫道，“哦，那个胡先生和牛先生在哪？”

　　“如果你说的是胡克和牛顿的话——”劳瑞恩顿了顿，“英国。”
　　“我要去英国！”雨花石又叫道，“对了，那个惠教授呢？”

　　“惠更斯，他现在在法国。”劳瑞恩无语了，不等雨花石答话，又说，“所以你要去法国，对吧？”

　　“你说得对。”雨花石笑了起来，“嗯——其实——意大利也是非常伟大的，您看，我不是一早就来到了佛罗伦萨嘛。”

　　“狗屁！”劳瑞恩耸耸肩。

　　“上帝啊，您这话听着可真不像是伽利略院士的再传弟子说的。”雨花石惊叫起来。